MIKE21学习概述

MIKE21学习——系列11.序言本文将对MIKE21软件的基本概况，主要模型FlowModel的创建过程，工程数据的预处理过程、计算结果的后处理过程以及各种相关工具和注意问题等进行说明。1.MIKE21概述MIKE21软件是丹麦DHIWater&Environment机构开发的一个用于数值模拟各种流场问题（如海域、港湾、河流等）和基于流场下的环境问题（如污染物平流扩散、水质、重金属、泥沙输移）等工程问题的软件包。MIKE21软件用于工程模拟计算时的主要过程包括：1）数据前处理；2）模型建立和模拟计算；3）计算结果后处理。1.1数据前处理数据前处理过程是将模型建立所需要的各种工程数据资料按照MIKE21的要求进行预处理，使之最终可以直接用作计算模型的输入条件。本文将介绍的与数据前处理过程相关的MIKE21工具主要有：1）TimeSeriesEditor（时间系列编辑器）；2）ProfileSeriesEditor（剖面系列编辑器）；3）GridSeriesEditor（网格系列编辑器）；4）BathymetryEditor（地形编辑器）。1.2模型建立和模拟计算流场模型（FlowModel）是MIKE21中最为重要的用于工程模拟计算的数学模型，它是二维平面模型，是通过对于模型各种参数对话框的具体设定过程来建立的。流场模型的主体是水动力学模块（HydrodynamicModule），其中包含基本（Basic）和水动力（Hydrodynamic）两组参数。结合实际工程条件对这两组参数进行具体设定就可以完成该工程的流场模型创建。如果工程问题不是纯粹的水动力学问题，而是与水动力学有关的某些环境问题，则可在流场模型的水动力学模块的基础上，选择添加不同的附加模块来模拟此类问题。通过在水动力学模块参数设定的基础上，再进一步设定所选附加模块的各项参数，即可完成与之对应的工程问题的流场模型的创建过程。这些附加模块包括：1）AD（AdvectionDispersion）－平流扩散模块；2）WQ（WaterQuality）－水质模块；3）EU（Eutrophication）－富氧模块；4）ME（HeavyMetal）－重金属模块；5）MT（MudTransport）－泥沙输移模块。在各项参数设定完成之后，创建好的模型就可以用来进行工程问题的模拟计算了。1.3结果后处理出于工程分析和说明的不同要求，对于计算完成后的结果文件一般并不能直接应用，而是要通过一定的数据分析和后处理过程，使最能反映工程结论的原始结果数据生成为一定的图形，从而用于工程分析和说明之中。本文将介绍的与结果后处理过程相关的MIKE21工具主要有：1）PlotComposerEditor（作图编辑器）；2）DataViewer（数据阅读器）；3）MIKEZeroToolboxEditors（MIKEZero工具箱编辑器组）。数值模拟基本流程工程原始数据资料前处理生成初始数据文件创建流场模型进行工程模拟计算后处理生成结果分析文件模型计算结果用于工程分析说明2数据前处理过程本章将介绍有关模型创建所需初始数据文件的前处理准备过程。本章将对以下与数据前处理过程相关的MIKE21工具的应用进行较为详细的介绍:1）TimeSeriesEditor（时间系列编辑器）2）ProfileSeriesEditor（剖面系列编辑器）3）GridSeriesEditor（网格系列编辑器）4）BathymetryEditor（地形图编辑器）2.1TimeSeriesEditor（时间系列）用于创建和编辑0型（*.dfs0/*.dt0）数据文件，该类数据文件给定某点处的某些条目（Item）随坐标轴（时间轴或相对条目轴）变化的情况。该类文件可以用来作为模型创建的输入条件，也可以是由模型计算结果通过后处理工具生成的结果文件。在后文中将对该类文件简称为TS文件。下面将对TS文件的相关命令操作进行介绍。新建TS文件单击“文件”菜单的“新建”命令，双击“TimeSeries”项打开左图的对话框，该对话框可以选择新建TS文件的方法，包括：空白TS，由ASCII文件（*.txt）导入，以及基于模板（Template）进行创建等。TS文件属性对话框（Properties）TS文件主题时间轴类型时间步长设定起始时刻时间步数条目设定：名称、类型、单位、位置等插入、添加、删除条目更改属性在图形区单击右键弹出菜单，选择Properties项，即可打开上页所示的TS文件属性对话框，对TS文件的各项属性进行更改和重新设定。将TS文件导出为ASCII文件选择文件菜单中的ExporttoASCII命令，可以将TS文件保存为*.txt的文本文件。左下图显示了TS数据在文本文件中的保存格式。其中的开头部分表明了TS文件中属性设置的各类参数值。由ASCII文件导入为TS文件与TS导出ASCII文件相对应，TS文件也可以由ASCII文件导入。在新建TS对话框中双击FromAsciiFile项，打开左图的对话框，在其中的File项中选择满足ASCII文件格式的*.txt文件后，则相关TS的各项信息就显示在对话框内，单击OK即可创建TS文件。2.2ProfileSeriesEditor（剖面系列）用于创建和编辑1型（*.dfs1/*.dt1）数据文件，该类数据文件给定某剖面（线）各网格点处的某些条目（Item）随时间变化的情况。该类文件可以用来作为模型创建的输入条件，也可以是由模型计算结果通过后处理工具生成的结果文件。后面简称其为PF文件。由于其中很多工具（如计算器、插值、图形显示、ASCII文件导入导出等）与TS文件类似，则在此不再进行介绍。属性对话框文件主题起始时刻坐标轴类型时间步长时间步数空间步长空间步数条目设定：名称、类型、单位等3模型创建和模拟计算本章将对模型创建的主要步骤和各项参数的含义加以简单介绍。各种参数的具体详细介绍请参见相关的学习文档“MIKE全程”。3.1参数设定采用的几种对话框在模型创建过程中，对各类参数的设定大概采用了几种不同的对话框以适应不同类型参数设定的需要，其主要包括：（1）文本编辑框（2）下拉列表选择框（3）单选框（4）复选框（5）点击设定框下面将分别对此加以介绍。认识不同的对话框样式单选框复选框下拉列表选择框文本编辑框点击设定框对话框功能说明文本编辑框：直接设定参数的数值下拉列表选择框：对列表中的可选项进行选择单选框：在并列选项组中点选某一项复选框：点击以确定或取消对该选项的选择点击设定框：点击按钮弹出新对话框，根据新对话框提示要求进行文件位置或组合参数的设定点击设定框在单击点选按钮后，一般会弹出如作图形式的对话框，要求用户设定所要选择的文件路径和名称。尤其要注意的是，所选文件必须满足该选项对于文件的特殊要求，如各种项目类型和数目，时步数及间隔，起止时刻，空间节点数等等各类内容。3.2各项参数的含义及相关注释基本参数－BasicParameter模块选择－ModuleSelection地形图－Bathymetry模拟时段－SimulationPeriod开边界条件－Boundary源汇－SourceandSink集束－MassBudget增减水－FloodandDry水动力学参数－HydrodynamicParameter初始水面高度－InitialSurfaceElevation开边界条件－Boundary源汇－SourceandSink涡黏性系数－EddyViscosity阻力系数－Resistance波浪辐射－WaveRadiation风条件－WindCondition计算结果－Results纯水动力学模型包括两大类十四个参数设定框。它们依次为：模块选择纯水动力学模块水动力学＋平流扩散模块水动力学＋水质模块水动力学＋富氧模块水动力学＋重金属模块水动力学＋泥沙输运模块平流扩散方案选择地形图选择计算起始类型*1模型中计算区域数目*2设定计算域所在地理区域*3是否考虑科里奥利力的影响*4点击选择地形图文件*5地形图注释*1.冷起计算和热起计算。热起计算可以实现先前模拟过程的后续计算，需要事先生成Hot的结果数据文件。*2.计算域所在UTM区域。UTM:统一横轴墨卡托投影，常用来制作世界范围的地图。它实际上是一组公式和常数，通过这组公式可以将地球球面坐标转换到平面坐标。*3.即是否考虑地球自转偏向力。*4.Bathymetry是只有一个时间步的二维Grid文件，其中主要是给定计算域范围各网格节点处的水深值，用来提供模型初始状态的计算域地形水深分布情况。模拟时段计算总时间步数计算时间步长（单位秒）计算起止时刻预热时段*1自动计算得出的最大科朗数*2开边界条件（基本）边界位置设定方式：用户定义或程序自检测各个边界起始节点位置开边界数目源汇（基本）源汇的总数目所在节点位置，需要设定在水域范围内所在网格区域源汇类型：单源，单汇，源汇对（针对同一网格点而言）初始水面高度初始水面高度的设定方式：常量或由文件给定*1设定常量时的水面高度值由文件给出时的文件位置及名称设定初始水面高度注释*1.指在开边界处的初始表面相对于基准面的高度。由于计算设定初始时的流和潮速均为0，所以要给定某初始水面高度以作为流场产生运动的始因。对于一般模型而言，设定为常量即可，且该初始值设大一些有利于模型计算的稳定性。开边界条件（水动力学）选择边界条件类型是水面（level）还是流（flux）*1设定边界条件在时间和空间上的变化类型*2选择确定边界处数据的使用方法*3边界水面是否要倾斜以适应可能的风或Coriolis力是否由用户确定边界流向开边界条件（水动力学）注释*1.一般来说，给定边界处的潮位资料（即Level）比较方便。而选择流边界时要注意：流向相对于模型坐标系，入射流在左边和底边时为正，在右边和顶边时为负；出射流情况相反。*2.共有五种类型可设定：常量，正弦变化，时间变化，时空变化，以及由传递边界给出。边界数据的参考基准面必须与地形数据的参考基准面相同。源汇（水动力学）降水项类型和数值的设定蒸发项类型和数值的设定选择是否以反降水代替蒸发项的设定选择源汇的设定方法，并对流量、流速、出流方向进行设定涡黏性系数给定涡黏系数的计算方式涡黏系数的类型设定涡黏系数的具体数值的设定阻力系数阻力系数给定的方式：满宁数或谢才数阻力系数的类型和数值的设定波浪辐射是否考虑波浪辐射应力的影响波浪辐射应力的时间轴类型的设定：稳态或准稳态风条件风条件变化方式选择风速设定（米/秒）风向（度）数据文件设定风摩擦系数类型选择风摩擦系数常数值设定风摩擦系数随风速线性变化值的设定计算结果结果文件数整个模型存储数据文件总量HD模块存储数据文件大小各项存储文件的具体设定*1是否生成热起始文件及其存储名称的设定*2计算结果注释*1.用户可以设定输出结果的空间和时间范围及其步长，以及为存储数据设定文件名和题目（可选）。*2.如果选择该项，则特定的热起始数据可以被生成。当模拟计算过程需要基于以前的计算继续进行时，可以在先前的计算过程中设定生成该类文件，之后用于后续的连续计算。3.3模型的运行当模型参数设定完毕，可以通过菜单工具“RUN－Validate”进行手工检验，也可选定“AutomaticValidation”进行自动检验。当检验通过没有错误时，各参数框的左方框内会显示对号，当全部项都以对号勾出后，即可在选择“StartSimulation”菜单命令开始模拟过程。3.4要注意的主要问题1.各种水深和水面高度文件数值的设定必须基于同一基准面，如不同则需要事先进行转换方可使用。2.在MIKE21界面下选定某项参数设定框，按动“F1”键即可打开相应的帮助文档以供参考3.地形文件和边界条件设定是模型创建最为关键的两项内容，要特别加以注意。4结果后处理过程本章将介绍有关模型计算完成后数据结果文件的后处理过程。本章要介绍的与结果后处理过程相关的MIKE21工具有：1）PlotComposerEdit